Jaké typy větrných turbín existují a jak je chtějí startupy vylepšit | RBC Trends

Větrná energie je jedním z nejčistších a nejudržitelnějších zdrojů energie. Je to nevyčerpatelný zdroj s nulovými emisemi. Během 12 let – od roku 2010 do roku 2022 – se podíl větrné energie na celkovém objemu výroby elektřiny zvýšil z 1,64 na 7,33 %.

Větrné turbíny na moři (Foto: Gwec)

Typická účinnost větrné turbíny se pohybuje mezi 20 a 45 % a její účinnost je určena tím, kolik větrné energie dokáže turbína přeměnit na elektřinu.

Typická větrná turbína na pevnině dokáže zásobovat elektřinou přibližně 940 domácností. Samozřejmě hodně záleží na velikosti domu, jeho umístění, průměrné rychlosti větru v oblasti, kde se nachází, a na tom, kolik energie je potřeba k provozu spotřebičů. A k zásobování celého světa by bylo potřeba asi 2,5 milionu větrných turbín na pevnině.

Přestože na moři fouká vítr silnější, větrné turbíny se častěji umisťují na souši, protože jejich instalace a údržba jsou snazší a levnější.

Jaké typy větrných turbín existují?

Existují dva typy větrných turbín: s horizontální osou a s vertikální osou. horizontální turbína Osa otáčení lopatek je rovnoběžná s povrchem Země. Většina z nich má tři lopatky a samotné turbíny vypadají jako ventilátor nebo vrtule.

Osa otáčení lopatek vertikální turbíny umístěné kolmo k zemi. Vertikální větrné turbíny mají obvykle dvě nebo více lopatek uspořádaných svisle kolem centrální osy.

Vertikální větrné turbíny se snáze vyrábějí a udržují, fungují a vyrábějí elektřinu i za slabého větru a není nutné je otáčet ve směru větru. Horizontální turbíny však mají vyšší výkon, takže jsou mnohem běžnější než vertikální.

Startupy vyvíjející inovativní větrné turbíny

Celosvětový vítr

Norská společnost World Wide Wind (WWW) vyvinula koncept vertikální větrné turbíny o výkonu 40 MW.

Koncept větrné turbíny od World Wide Wind (Foto: worldwidewind.no)

Tato větrná turbína je navržena následovně. Na vrcholu stožáru, který je nad mořem, jsou dvě turbíny se třemi lopatkami otáčejícími se v opačných směrech. Ve spodní části stožáru (tom pod vodou) je generátor se statorem a rotorem, který přeměňuje energii větru na elektřinu, kabely a kotvicí mechanismus. Vzhledem k tomu, že generátor je pod vodou, a nikoli nahoře, jako u běžných turbín, slouží jako zátěž a zajišťuje stabilitu větrné turbíny.

Podle vývojářů nebude servis takové elektrárny problém. Uvnitř bude sucho a bude zde dostatek prostoru pro techniky. V současné době je taková turbína stále ve fázi vývoje. Předpokládá se, že skutečný model takové větrné turbíny by mohl být vysoký 400 m. WWW plánuje uvést na trh turbínu o výkonu 24 MW do roku 2030.

T-omega

Americký startup T-Omega Wind vytvořil prototyp větrné turbíny na moři v měřítku 1:16. Podle autorů projektu bude mít skutečná turbína výkon 10 MW, bude schopna odolat vlnám až do výšky 30 m, přičemž její hmotnost bude o 20 % nižší a její cena bude o 30 % nižší než u tradičních větrných turbín.

Konstrukce je pyramida, kde je standardní rotor s horizontální osou otáčení instalován na čtyřech stožárech. Větrná turbína je umístěna na plovoucí plošině, ačkoli turbíny na moři jsou obvykle instalovány na mořském dně.

Ukázka fungování systému
(Video: YouTube)

Systém lze použít v mělkých i hlubokých vodách. Pohybuje se na vlnách a je zarovnán s větrem pomocí korouhvičky. Plošina je ukotvena k oceánskému dně s mírným prověšením, což jí umožňuje pohybovat se po držáku v reakci na změny směru větru bez senzorů, motorů nebo řídicích mechanismů.

Pro majitele plachetnic je větrná turbína přirozeným a pochopitelným způsobem, jak zvýšit elektrický výkon. Využívá stejnou energii, která pohání plachetnici, a technologie, na které je založena, je spolehlivá a dobře prozkoumaná. Proto se i přes rostoucí popularitu vodních generátorů a vznik stále účinnějších solárních panelů autonomní větrné turbíny na jachtách stále hojně používají.

Výhody a nevýhody větrných turbín

Pro nabíjení trakčních baterií z pobřežní elektrické sítě je na jachtě instalován kombinovaný střídač nebo nabíječka. V mimosezóně se s tímto úkolem vypořádá malý solární panel. V případě potřeby dalšího výkonného zdroje nabíjení má smysl použít větrnou turbínu, která bude na jachtě fungovat společně se solárními bateriemi nebo hydrogenerátorem.

Větrné generátory pro jachty jsou malá zařízení s relativně nízkým výkonem. Energie, kterou generují, však stačí k nabití 12voltové baterie s kapacitou 800 ampérhodin během dne. Výhodou větrného generátoru je, že vyrábí elektrickou energii téměř neustále – za pohybu i na kotvě, za slunečných i zamračených dnů. Větrný generátor nevyžaduje údržbu, opravy ani další zařízení pro spuštění.

Charakteristiky větrných turbín pro jachty

Existují však i nevýhody. Trasy jachet vedené po větru ubírají generátoru část výkonu. A protože větrná energie závisí na třetí mocnině jeho rychlosti, pak se snižující se rychlostí výkon větrného generátoru rapidně klesá. Například při skutečné rychlosti větru 20 uzlů bude u jachty plující po větru rychlostí 8 uzlů pozorovaná rychlost větru pouze 12 uzlů. Při větru 20 uzlů produkuje většina modelů malých větrných generátorů výkon asi 200 W a při 12 uzlech výkon klesá na 40–50 W. Při plánování parkování je třeba zohlednit i závislost výkonu turbíny na rychlosti větru. Přístavy a kotviště lákají majitele jachet právě proto, že poskytují ochranu před živly, což znamená, že rychlost větru je tam v určité vzdálenosti od břehu nižší, než se předpokládá.

Všechny malé větrné turbíny mají přibližně stejný maximální výkon – od 400 do 600 wattů. Důležitější charakteristikou je však proud vydávaný turbínou za slabého větru. Koneckonců, s tím se většina majitelů jachet chce během svých cest vypořádat. Proto je výkon větrné turbíny při relativní rychlosti větru 12 nebo 20 uzlů mnohem lepším ukazatelem její nabíjecí kapacity.

Kromě toho jsou výkonové křivky poskytované výrobci větrných turbín založeny na výsledcích testu plynulého, konstantního proudění vzduchu v aerodynamickém tunelu. Skutečné výsledky mohou být mnohem nižší. Proto tam, kde je vyžadován zaručený vysoký výkon, majitelé preferují instalaci dvou turbín a jejich paralelní zapojení pomocí jednoho regulátoru.

Jak nainstalovat větrný generátor na jachtu

Aby se z větrné turbíny dosáhlo maximálního výstupního výkonu, musí být splněny dvě podmínky. Zaprvé, konstrukce, na které je turbína instalována, musí být co nejstabilnější, jinak jakékoli naklánění nebo kymácení ji odkloní od větru. Zadruhé, větrná turbína potřebuje volné, rovnoměrné a plynulé proudění vzduchu.

Do jisté míry si tyto dva požadavky odporují. Rychlost větru na stožáru může být o 50 procent vyšší než na hladině moře, takže čím výše větrnou turbínu zvednete, tím více energie získáte. Na druhou stranu turbína, její uchycení a kabeláž váží 20–30 kg. Tato dodatečná hmotnost na pohybující se jachtě zvyšuje kyvadlový efekt, což znamená zvýšení klopení a kolébání a snížení celkové stability.

Existuje mnoho úspěšných instalací větrných turbín na stožáry. Většině majitelů jachet se však doporučuje instalovat turbínu na kokpit. Tam se snáze instaluje a udržuje a pokud dojde k poruše a selžou jiné metody brzdění, lze zařízení ručně vypnout.

Úbytek napětí v kabelu významně ovlivňuje celkový výkon nabíjecího systému. Při instalaci turbíny dole bude kabel od ní k bateriím mnohem kratší, což znamená, že jeho průřez lze zvolit menší a nezvýší se tím energetické ztráty.

Regulátor nabíjení větrného generátoru

Na první pohled je ukládání přijaté elektrické energie do baterie nejjednodušší částí větrné elektrárny. Mezi výrobci však neexistuje jediné řešení tohoto problému a každý z nich se drží svých vlastních přístupů.

Anglická společnost Marlec používá MPPT regulátor. MPPT regulátory se rozšířily díky solárním zdrojům energie, kde zvýšily výstupní výkon až o 30 procent. Regulátor reguluje napětí generátoru tak, aby v daném okamžiku byl výkon instalace maximální. Pro snížení otáček turbíny používá Marlec pulzně šířkovou modulaci. Když se nabití baterie blíží 100 % a vyžaduje méně energie, PWM regulátor uzavírá vinutí stále delšími pulzy, čímž vytváří rostoucí brzdný moment.

Tvůrce větrné turbíny D400, Peter Andersen ze společnosti Eclectic Energy, volí jiný přístup. Domnívá se, že není možné poskytnout strukturovaný výstupní signál založený na takovém vstupu jako u větrných turbín. Studie navíc ukazují, že celkový výkon systému s MPPT regulátorem se nezvyšuje, a někdy naopak klesá.

Jiní výrobci se také domnívají, že MPPT regulátor nepřináší žádné výhody malé větrné turbíně se správně navrženým a optimalizovaným generátorem pro nízké rychlosti větru. Výhody dosažené účinností generátoru jsou vyváženy ztrátami v MPPT elektronice. PWM regulátor však umožňuje nabití baterie na 100 procent, protože dodává baterii přesně takový proud, jaký je baterie v každé fázi nabíjení schopna akceptovat.

Někteří výrobci instalují na výstup generátoru místo MPPT regulátoru DC-DC měnič. Měnič zvyšuje výstupní napětí generátoru a umožňuje nabíjení baterií za slabého větru (méně než 2 m/s). Větrné generátory s DC-DC měniči začínají nabíjet baterie při výstupním napětí 2 volty a poskytují nabíjecí výkon 3-5 W. Taková zařízení jsou vhodná pro nabíjení baterií na parkovištích chráněných před větrem, ale dodatečné množství energie, které z nich získají, není velké.

Mnozí záměrně nepoužívají technologie MPPT nebo PWM, protože za klíčové výhody svých produktů považují jednoduchost a spolehlivost. Pokud turbíny spolupracují se solárními panely, pak větrný generátor implementuje fázi rychlého nabíjení a solární panely nabíjejí baterie až na 100 %. Další elektronika v tomto případě pouze zvyšuje složitost a cenu produktů.

Kromě toho se často používá externí regulátor s odlehčovacím regulátorem. Slouží k regulaci výkonu vycházejícího z turbíny. Když se nabití baterie zvýší, přebytečná energie se odvede přes odpor, který odvádí teplo. S takovým regulátorem turbína vždy pracuje na plné zatížení a její lopatky se otáčejí s optimální frekvencí.

Je lepší nepoužívat systémy, které mají pouze vestavěný „regulátor“ turbíny. Takový regulátor je elektronická brzda, která se spustí, když napětí baterie příliš stoupne a turbína nadále produkuje velké množství energie. Po zastavení generátoru napětí baterie klesne a regulátor generátor znovu spustí. Pokud je baterie téměř nabitá, větrný generátor se několikrát zastaví a restartuje. Tato metoda regulace zdaleka není to, co baterie potřebuje – s rostoucím nabitím by se měl proud postupně snižovat.

Lopatky větrné turbíny

Konstrukce lopatek turbíny je další oblastí, kde se modely od různých výrobců liší. Na lopatky působí během rotace stejné síly jako na křídlo letadla. Existují však drobné rozdíly v jejich provozu. Pokud mají lopatky konstantní sklon, pak je jejich optimálního provozu dosaženo při jedné nastavené rychlosti otáčení. To znamená, že turbína, která se otáčí příliš rychle nebo příliš pomalu, bude mít sníženou účinnost.

Německá společnost Superwind vyrábí větrné turbíny s proměnným stoupáním, jehož velikost závisí na rychlosti otáčení. Čím rychleji se turbína otáčí, tím více se lopatky otáčejí kolem své osy a zpomalují rotaci. Společnost tvrdí, že tento systém reaguje velmi rychle a dokáže systém ochránit v případě selhání elektronického brzdění.

Lopatky jsou hlavní příčinou hluku a vibrací vycházejících z větrné turbíny. Pokud je rychlost otáčení špiček příliš vysoká, proudění vzduchu kolem nich se stává nestabilním, dochází k turbulenci a lopatky začnou vibrovat. Je známý případ, kdy lopatky větrné turbíny instalované na jachtě vydávaly při vysokých rychlostech otáčení takové vytí, že sousední lodě byly nuceny opustit svá kotviště.

Existuje speciální koeficient (TSR), který charakterizuje, kolikrát se špička lopatky turbíny pohybuje rychleji než skutečná rychlost větru. Například pokud má turbína TSR 16, pak se při větru 20 uzlů špičky lopatek budou pohybovat rychlostí 320 uzlů a při malé bouři se jejich rychlost bude blížit rychlosti zvuku. U větrného generátoru D400 výrobce uvádí TSR pouze 3,9. To znamená, že turbína je navržena tak, aby se otáčela mnohem pomaleji než modely jiných výrobců. D400 není nejlehčí větrný generátor, hmotnost pouze čisté mědi v jeho vinutí je téměř 1 kg. Jeho výhodou je však stabilita, spolehlivost a relativně nízká rychlost otáčení.

Někteří výrobci uvádějí pro své stroje maximální rychlost větru. Tuto charakteristiku je však třeba brát s rezervou. Nejničivější úrovní proudění větru je úroveň turbulence a tu nelze snadno předvídat ani měřit.

Výkon větrného generátoru

Před instalací jakéhokoli zařízení na výrobu energie na jachtě je prvním krokem výpočet spotřeby energie. Spotřeba se vypočítává jak pro kotvení, tak pro plavbu. Výsledkem je jakýsi energetický rozpočet, který uvádí jak zjevné velké spotřebiče, jako jsou ledničky, displeje, ohřívače vody a osvětlení, tak i méně výkonná zařízení – noční navigační světla, čerpadla, plynové alarmy, monitory motorů, zábavní systémy.

Zajistěte dodatečný výkon pro příďový propeler nebo elektrický naviják. Pokud má jachta klimatizaci, je nepravděpodobné, že by obnovitelné zdroje energie uspokojily její potřeby. V tomto případě zvažte dieselový generátor nebo palivové články.

Jakmile je vypočítána spotřeba energie, posoudí se styl řízení jachty. Je nutné vzít v úvahu běžnou průměrnou rychlost na trase a pochopit, zda se jachta nejčastěji pohybuje proti větru, nebo ji vždy doprovází zadní vítr? Kromě toho se berou v úvahu i další výrobní kapacity instalované na palubě – solární panely, hydrogenerátor a DC-DC nabíječka napájená z dieselového motorgenerátoru.

Položit otázku,

a nechte si poradit ohledně přívěsných elektromotorů, baterií nebo nabíječek pro loď nebo jachtu